交流、直流输入双备份的火电厂变频器低电压穿越装置制造方法
【专利摘要】本发明涉及电力系统电压自动控制【技术领域】，为交流、直流输入双备份的火电厂变频器低电压穿越装置，本发明将低电压穿越装置设置在电网配电柜和变频器之间；该低电压穿越装置包括第一执行单元、第二执行单元、蓄电池组、整流电路、升压电路、输出执行电路和信号调理板；当出现电压跌落时，信号调理板控制交流电源通过第一执行单元和整流电路整流后，或所述蓄电池组通过第二执行单元输出直流电压后，再经过升压电路升压，通过输出执行电路实现对电网的补偿。本发明提出的低电压穿越装置安全可靠、灵敏度高，可有效保障关键辅机与火电机组连续稳定运行。
【专利说明】交流、直流输入双备份的火电厂变频器低电压穿越装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及电力系统电压自动控制装置，具体讲涉及交流、直流输入双备份的火电厂变频器低电压穿越装置。
【背景技术】
[0002]随着电力电子技术的发展，变频器以其调速精确，使用简单，保护齐全等特点广泛应用于电厂辅机调速控制系统中。变频器的应用不仅降低了电厂的能耗，同时也提高了设备的自动化程度。由于电力电子器件的应用，变频器均带有低电压跳闸保护，电网电压的波动往往会带来变频器的退出运行，从而造成事故的扩大。
[0003]火电厂时有发生由系统低电压故障造成的火电机组跳机的事故。在此类事故中，电厂内部或外部故障(雷击、电气设备短路、接地等)，引起电网电压短时跌落，跌落幅度超过15%、持续时间较短，此类故障的发生，原本不应引起辅机的退出，但由于火电厂关键辅机的变频器设备不具备低电压功能，触发了辅机拖动变频器的低电压保护，变频器闭锁输出，辅机停机，最终导致发电机组的跳机。此类故障期间的非计划跳机，一方面影响发电厂发电连续性和经济性，并造成电厂发电设备损坏，另一方面会进一步对电力系统造成冲击，加剧系统故障程度，严重影响电力系统的安全稳定运行。
【发明内容】
[0004]针对现有技术的不足，本发明提供一种可实现O电压输入支撑的交流、直流输入双备份的火电厂变频器低电压穿越装置，可满足火电厂低电压穿越的实际需求，具有安全可靠、灵敏度高、强大的自检功能、接线简单等特点，并可实现交流380V和直流220V输入双备份，外界的交流380V输入至装置内部的蓄电池组，当穿越装置的交流母线出现故障而断路或电压跌落至低于20%时甚至于完全断电时，能够通过蓄电池组储存的电能实现短时间的直流电压输入支撑输出；即使蓄电池组的能量耗尽，本装置仍能接收电厂内提供的直流220V供电，保证其BOOST升压后输出的电压稳定可靠，满足所带变频器的供电需求，进而保障辅机与火电机组连续稳定运行，确保机网安全。本发明是通过下述方案实现的:
[0005]交流、直流输入双备份的火电厂变频器低电压穿越装置，其改进之处在于，将所述低电压穿越装置设置在电网配电柜和变频器之间；
[0006]所述低电压穿越装置包括第一执行单元、第二执行单元、蓄电池组、整流电路、升压电路、输出执行电路和信号调理板；
[0007]所述信号调理板控制交流电源通过所述第一执行单元和所述整流电路对跌落电压进行整流，或所述蓄电池组通过所述第二执行单元输出直流电压后，再经过所述升压电路升压，通过输出执行电路实现对电网的补偿。
[0008]其中，所述第一执行单元一端与交流电源连接，另一端依次与所述整流电路、所述升压电路和所述输出执行电路连接；
[0009]所述蓄电池组一端与直流电源连接，另一端与所述第二执行单元连接后，再通过二极管与所述升压电路连接。
[0010]其中，所述低电压穿越装置包括用于检测低电压穿越装置内部的电流和电压值，防止过流或过压的自保护功能模块。
[0011]其中，所述自保护功能模块包括电流传感器和电压传感器；
[0012]所述电流传感器的个数为两个，分别设置在所述升压电路的输入端和输出端；
[0013]所述电压传感器设置在所述升压电路的输出端。
[0014]其中，所述第一执行单元包括第一断路器、第一接触器、第二接触器、第一电抗器、第一电阻和第二电阻；
[0015]所述第一断路器一端与所述交流电源连接，另一端依次与所述第一接触器和所述第一电抗器连接；
[0016]所述第二接触器的第I端和第3端分别串联所述第一电阻和第二电阻，再与所述
第一接触器并联。
[0017]其中，所述第二执行单元包括第三接触器、第三电阻、第一薄膜电容、第二薄膜电容、第三金属膜电容、第四金属膜电容和第五金属膜电容；
[0018]所述第三接触器一端与所述蓄电池组连接，另一端串联所述第三电阻后再与设在升压电路输入端的所述电流传感器连接，并通过二极管与所述升压电路连接；
[0019]所述第一薄膜电容并联在所述升压电路输入端，所述第二薄膜电容、第三金属膜电容、第四金属膜电容和第五金属膜电容依次并联在所述升压电路的输出端。
[0020]其中，输出执行电路包括第一组二极管、第二组二极管和第三组二极管、第一熔断器、第二熔断器、第三熔断器、第四熔断器、第二断路器和第三断路器；
[0021]所述第一组二极管、第二组二极管和第三组二极管均由两个二极管构成；所述第一组二极管和第二组二极管为同向串联结构，并分别串联在与所述升压电路输出端的正、负极上；所述第三组二极管的两个二极管并联后与所述第一组二极管串联，形成两个正极母线；从第二组二极管输出端引出两个负极母线，与所述两个正极母线匹配，形成两组母线，每个母线分别串联第一熔断器、第二熔断器、第三熔断器和第四熔断器后接入所述第二断路器和第三断路器后输出。
[0022]其中，所述蓄电池组配有蓄电池在线监测系统，用于监测蓄电池运行状态；所述蓄电池组和所述蓄电池在线监测系统装在同一个柜中。
[0023]与最接近的现有技术比，本发明具有如下优异效果:
[0024]本发明提出一种可实现O电压输入支撑的交流380V和直流220V输入双备份的火电厂低电压穿越装置，安全可靠、灵敏度高，可有效保障关键辅机与火电机组连续稳定运行，并可实现下述功能:
[0025](I)交、直流输入电源双备份。本发明可同时接收交流380V和直流220V的电源输入，通过后面的BOOST升压回路将电压提升至直流520V，两路电源互为备用，并且优先级可设置。直流220V电源直接接入电厂内蓄电池组，为低电压穿越装置的正常工作增加一道防线，能够更可靠的保证电厂机组的关键辅机安全稳定运行。
[0026](2)交流380V输入跌落至0%时仍能保证装置直流电压稳定输出。本发明中，在交流380V输入装置后，首先进入由蓄电池组构成的前级储能装置，该储能蓄电池组的作用就是保证即使交流380V电源跌落至0%，仍能通过其储存的电能保证低电压穿越装置输出稳定的直流电压支撑。
[0027](3)集成蓄电池内阻实时监测技术，及时发现性能落后的电池并报警。本发明通过在日常的浮充电过程中实时监测蓄电池内阻值，VRLA蓄电池的故障，如板栅腐蚀和增长、接触不良、活性物质可用量减少等集中表现于蓄电池内阻的增大、电导的减小，因此，电导或电阻的高低可作为表征蓄电池故障和使用程度的有效信息，内阻测试法成为测量蓄电池性能优劣的有效方法。
[0028](4)创新性的拓扑结构设计。该装置是在电网出现低电压异常情况时使用，绝大部分时间处于待命状态，在拓扑内增加了电压防反单元，使其输出端比负载直流两端电压稍低6?8V，这样当电网正常时，变频器的功率由交流母线供给，可大大提高装置的使用寿命O
[0029](5)完善的保护机制。该装置自身带过流、短路、防雷、防浪涌保护，具有自检、复位、紧急停止，能量自泄放控制单元功能。具有运行状态，故障状态等指示状态。可大大提高装置的整体性能及安全可靠性。
【专利附图】
【附图说明】
[0030]图1为本发明提供的现场接线图。图中，VRT-380A为低电压穿越装置。
[0031]图2为本发明提供的低电压穿越装置的结构框图。
[0032]图3为本发明提供的低电压穿越装置内部连接图。图中，SffU SW2和SW3为断路器；KM1、KM2和KM3为电磁接触器；CR1、CR2和CR3为电阻；L1为滤波电抗器；L2为BOOST升压电感；TBRG为三相整流桥；C1和C2为薄膜电容；C3、C4和C5为金属膜电容；CT1和CT2为两个电流传感器；D1、D2和D3为二极管组；FU1、FU2、FU3和FU4为熔断器。
【具体实施方式】
[0033]以下结合实施例和附图对本发明进行详细的描述。
[0034]本实施例的低电压穿越装置的控制目标为在系统电压跌落时保证变频器及其拖动电机系统的转速、功率、转矩不变。
[0035]具体的，如图1所示，本实施例的低电压穿越装置在电网配电柜和变频器之间，其结构框图如图2所示，具体包括第一执行单元、第二执行单元、蓄电池组、整流电路、升压电路、输出执行电路和信号调理板；当出现电压跌落时，信号调理板控制交流电源通过第一执行单元和整流电路整流后，或所述蓄电池组通过第二执行单元输出直流电压后，再经过升压电路升压，通过输出执行电路实现对电网的补偿。对应的，第一执行单元一端与交流电源连接，另一端依次与整流电路、升压电路和输出执行电路连接；蓄电池组一端与直流电源连接，另一端与第二执行单元连接后，再通过二极管与升压电路连接。
[0036]优选的，本实施例的低电压穿越装置还可添加自保护功能模块，用于检测低电压穿越装置内部的电流和电压值，防止过流或过压。自保护功能模块包括电流传感器和电压传感器。电流传感器的个数为两个，分别设置在升压电路的输入端和输出端，电压传感器设置在升压电路的输出端。
[0037]本实施例的低电压穿越装置内部连接图如图3所示，具体如下说明:
[0038]本实施例的第一执行单元包括第一断路器SW1、第一接触器KM1、第二接触器KM2、第一电抗器L1、第一电阻CRl和第二电阻CR2 ;第一断路器SWl —端与外部的交流电源连接，另一端依次与第一接触器KMl和第一电抗器LI连接；第二接触器KM2的第I端串联第一电阻CR1，第3端串联第二电阻CR2后，再与第一接触器KMl并联。
[0039]本实施例的第二执行单兀包括:第一薄膜电容Cl、第二薄膜电容C2、第三金属膜电容C3、第四金属膜电容C4和第五金属膜电容C5 ;第三接触器KM3 —端与蓄电池组连接，另一端串联第三电阻CR3后再与设在升压电路(由绝缘栅双极型晶体管IGBT构成)输入端的电流传感器CTl连接，并通过二极管与升压电路连接；第一薄膜电容Cl并联在升压电路输入端,第二薄膜电容C2、第三金属膜电容C3、第四金属膜电容C4和第五金属膜电容C5依次并联在升压电路的输出端。
[0040]本实施例的蓄电池组配有蓄电池在线监测系统，用于监测蓄电池运行状态。并且，蓄电池组和所述蓄电池在线监测系统装在同一个柜中。
[0041]本实施例的输出执行电路包括第一组二极管D1、第二组二极管D2和第三组二极管D3、第一熔断器FU1、第二熔断器FU2、第三熔断器FU3、第四熔断器FU4、第二断路器SW2和第三断路器SW3 ;第一组二极管Dl、第二组二极管D2和第三组二极管D3均由两个二极管构成；第一组二极管Dl和第二组二极管D2为同向串联结构，并分别串联在与升压电路输出端的正、负极上；第三组二极管D3的两个二极管并联后与第一组二极管Dl串联，形成两个正极母线；从第二组二极管D2输出端引出两个负极母线，与两个正极母线匹配，形成两组母线，四个母线，分别串联第一熔断器FU1、第二熔断器FU2、第三熔断器FU3和第四熔断器FU4后接入第二断路器SW2和第三断路器SW3后输出。
[0042]综上所述，本实施例的低电压穿越装置的具体流程为:
[0043]在系统电压正常的状态下，变频器母线电压正常且变频器正常工作，电能通过外部交流送电，信号调理板(可采用FPGA、单片机等实现)向断路器、电动开关等第一执行单元发出合闸命令，此时直流回路处于伺服状态，不参与变频器运行。第一执行单元执行后，整流桥TBRG进行整流并输出直流，一方面给薄膜电容Cl充电，另一方面通过升压电感L2和BOOST升压回路对直流进行升压并送入变频器直流输入端子，满足低电压穿越装置伺服条件。
[0044]在系统电压发生跌落时，当下降至低于要求的额定电压，装置瞬时投入运行。通过升压电感L2、BOOST升压回路将跌落的交流电压提升到500V直流电压，在此期间若交流电压出现断路或跌落过低(低于正常值20%时)，装置将自动接入备用的直流220V蓄电池组，通过升压电感L2、B00ST升压回路将其提升到500V，通过变频器的直流母线对变频器供电，使其维持到可保证变频器输出功率、电机转矩、电机转速均不变的电压水平。其中，第二薄膜电容C2、第三金属膜电容C3、第四金属膜电容C4和第五金属膜电容C5,用于第二级储能。
[0045]在系统电压跌落结束，系统电压恢复正常后，装置停止运行，升压回路退出工作状态，恢复到伺服状态，变频器的供电仍由三相交流送电回路提供。其中，该装置是在电网出现低电压异常情况时使用，绝大部分时间处于待命状态，在拓扑内通过第一组二极管D1、第二组二极管D2和第三组二极管D3实现了电压防反单元，使其输出端比负载直流两端电压稍低6?8V，这样当电网正常时，变频器的功率由交流母线供给，可大大提高装置的使用寿命。并且，当出现过流时，熔断器FUl、FU2、FU3、FU4进行过流保护，保护了装置的安全性。
[0046]在低电压穿越装置运行过程中，会出现四种工作模式:自检模式、运行模式、故障模式、停机模式，具体的:
[0047](I)自检模式。为了保证装置可靠稳定运行，装置可执行以下两种自检操作:
[0048]I)上电自检:当装置上电起机、交流接触器闭合之后，系统将进行上电自检。上电自检主要针对控制电路板的各项控制功能，自检时间长度为6秒钟，若功能正常将自动进入运行状态，“运行灯”保持点亮；若系统有故障，则断开交流输入接触器，柜门上的“故障灯”亮起并同时输出故障信号。
[0049]2)手动自检:在伺服工作模式下，按下柜体正门的“自检”按钮，装置进入手动自检状态，时间持续30秒钟。这期间装置将自动执行直流升压操作，如果在设定的时间内达到了期望电压阀值，表示自检正常，装置将退出升压工作模式，保持伺服工作模式；若自检有故障，装置将控制交流输入接触器断开，“故障灯”亮起并同时输出故障信号。
[0050](2)运行模式。
[0051]装置在运行模式下有两种工作状态:升压工作状态、伺服工作状态。“升压工作状态”是指装置在电网电源发生跌落时，低电压穿越装置可以将输入的交流或直流电压进行BOOST升压操作，输出给变频器直流母线稳定的直流电压，维持变频器正常工作；“伺服工作状态”是指在电网电源正常时或者从异常状态恢复正常时，低电压穿越装置不为变频器输出直流电源，电能由电厂内供电交流母线直接提供给变频器交流输入。
[0052](3)故障模式。
[0053]故障模式是指低电压穿越装置发生故障时，系统自动进入自我保护的一种模式，此时将闭锁直流输出，不会对变频器正常工作产生影响。装置发生故障时，系统会执行如下控制逻辑指令:封锁功率器件触发脉冲、跳主回路交流接触器、点亮故障灯、输出故障信号，系统进入故障报警状态。
[0054]故障消除有两种方式:
[0055]I)若已排除故障，可按下柜体上的“复位按钮”消除故障状态，系统将在5秒内自动接入主回路电源，并先后经历停机状态、自检状态、正常后再次尝试进入伺服运行模式；
[0056]2)若故障出现后无人为介入，系统会在5分钟后尝试进入伺服工作模式，若故障未排除，系统会在5分钟后再次进入故障模式，如果连续5次均进入故障模式，系统会停止尝试进入伺服工作模式，保持故障模式，直到故障排除，方可通过“复位按钮”消除故障状态。
[0057](4)停机模式。停机模式是指低电压穿越装置处于停止输出，不再监视、追踪电网及负载状态的状态。如下情况系统会进入到停机状态:
[0058]I)无三相交流电源或直流电源输入；当外接三相输入交流380V电源或直流输入220V电源均掉电时，系统自动判定不具备工作条件，将进入到停机状态；
[0059]2)当初次上电，系统在自检前进入的一种状态；
[0060]3)按下紧急按钮开关时，低电压穿越装置会自动执行封锁功率转换单元脉冲、跳交流接触器，点亮停机指示灯，系统进入停机状态。
[0061]需要注意的是，本实施例的低电压穿越装置还具有下述两个功能:
[0062]1、装置自保护机制；
[0063]装置配置有完善的保护功能，保护范围交叉重叠，没有死区，能确保在各种故障情况下的系统安全。其中:[0064](I)装置本体保护；
[0065]装置本体保护包括IGBT模块故障保护、内部直流母线过压保护、三相输入交流电源短路保护、三相输入交流电源过压保护、直流输出电源短路保护；当装置检测到这些紧急故障后，将封锁功率转换单元脉冲、断开交流接触器，点亮故障灯、开出故障信号。
[0066](2)系统保护；
[0067]装置设有保护动作定值，为系统检测到紧急故障时动作出口，断开交流接触器，点亮故障灯、停机灯，故障清除后装置自动恢复运行。
[0068]系统保护功能具体配置为:过功率保护、直流过流保护、直流过压保护和交流欠压保护。
[0069]2、蓄电池内阻实时监测功能；
[0070]由于储能蓄电池组的作用非常重要，因此实施例集成了在日常的浮充电过程中实时监测蓄电池内阻值的功能。VRLA蓄电池的故障，如板栅腐蚀和增长、接触不良、活性物质可用量减少等集中表现于蓄电池内阻的增大、电导的减小，对于VRLA蓄电池来说，如果内部电阻比基准值(平均值)增加20%以上，蓄电池性能则会下降到一个级低的水平。这个值也是IEEE STD建议立即采取纠正措施(放电试验或更换)的标准。IBEX1000则根据这个建议基准将报警值设定为20%。相应的，VRLA蓄电池容量下降到80%以下时，蓄电池的老化程度是无法预测的，同时容量衰减的速度会越来越块，而内阻值的增加也会越来越快。此时就应该及时更换蓄电池，以提高蓄电池系统的可靠性。
[0071]小电流内阻测试法基本原理是使暂态直流小电流通过待测蓄电池和与其串联的对比电阻，分别测量这个小电流在蓄电池等效内阻和对比电阻上的消耗电量进行对比求出蓄电池的内阻。这种方法测试蓄电池内阻时，其抗干扰性、重复精度、实时性和安全性都达到该领域的领先水平。
[0072]最后应该说明的是:结合上述实施例仅说明本发明的技术方案而非对其限制。所属领域的普通技术人员应当理解到:本领域技术人员可以对本发明的【具体实施方式】进行修改或者等同替换，但这些修改或变更均在申请待批的权利要求保护范围之中。
【权利要求】
1.交流、直流输入双备份的火电厂变频器低电压穿越装置，其特征在于，将所述低电压穿越装置设置在电网配电柜和变频器之间； 所述低电压穿越装置包括第一执行单元、第二执行单元、蓄电池组、整流电路、升压电路、输出执行电路和信号调理板； 所述信号调理板控制交流电源通过所述第一执行单元和所述整流电路对跌落电压进行整流，或所述蓄电池组通过所述第二执行单元输出直流电压后，再经过所述升压电路升压，通过输出执行电路实现对电网的补偿。
2.如权利要求1所述的低电压穿越装置，其特征在于，所述第一执行单元一端与交流电源连接，另一端依次与所述整流电路、所述升压电路和所述输出执行电路连接； 所述蓄电池组一端与直流电源连接，另一端与所述第二执行单元连接后，再通过二极管与所述升压电路连接。
3.如权利要求1或2所述的低电压穿越装置，其特征在于，所述低电压穿越装置包括用于检测低电压穿越装置内部的电流和电压值，防止过流或过压的自保护功能模块。
4.如权利要求3所述的低电压穿越装置，其特征在于，所述自保护功能模块包括电流传感器和电压传感器； 所述电流传感器的个数为两 个，分别设置在所述升压电路的输入端和输出端； 所述电压传感器设置在所述升压电路的输出端。
5.如权利要求4所述的低电压穿越装置，其特征在于，所述第一执行单元包括第一断路器、第一接触器、第二接触器、第一电抗器、第一电阻和第二电阻； 所述第一断路器一端与所述交流电源连接，另一端依次与所述第一接触器和所述第一电抗器连接； 所述第二接触器的第I端和第3端分别串联所述第一电阻和第二电阻，再与所述第一接触器并联。
6.如权利要求4所述的低电压穿越装置，其特征在于，所述第二执行单元包括第三接触器、第三电阻、第一薄膜电容、第二薄膜电容、第三金属膜电容、第四金属膜电容和第五金属膜电容； 所述第三接触器一端与所述蓄电池组连接，另一端串联所述第三电阻后再与设在升压电路输入端的所述电流传感器连接，并通过二极管与所述升压电路连接； 所述第一薄膜电容并联在所述升压电路输入端，所述第二薄膜电容、第三金属膜电容、第四金属膜电容和第五金属膜电容依次并联在所述升压电路的输出端。
7.如权利要求1所述的低电压穿越装置，其特征在于，输出执行电路包括第一组二极管、第二组二极管和第三组二极管、第一熔断器、第二熔断器、第三熔断器、第四熔断器、第二断路器和第三断路器； 所述第一组二极管、第二组二极管和第三组二极管均由两个二极管构成；所述第一组二极管和第二组二极管为同向串联结构，并分别串联在与所述升压电路输出端的正、负极上；所述第三组二极管的两个二极管并联后与所述第一组二极管串联，形成两个正极母线；从第二组二极管输出端引出两个负极母线，与所述两个正极母线匹配，形成两组母线，每个母线分别串联第一熔断器、第二熔断器、第三熔断器和第四熔断器后接入所述第二断路器和第三断路器后输出。
8.如权利要求1所述的低电压穿越装置，其特征在于，所述蓄电池组配有蓄电池在线监测系统，用于监测蓄电池运行状态； 所述蓄电池组和所 述蓄电池在线监测系统装在同一个柜中。
【文档编号】H02J7/00GK103545913SQ201310513926
【公开日】2014年1月29日 申请日期:2013年10月25日 优先权日:2013年10月25日
【发明者】吕大伟, 赵红光, 许勇, 张辉, 王伟涛 申请人:国家电网公司, 南京南瑞集团公司